酸性环境中异恶唑磺酰胺衍生物对低碳钢的缓蚀机理：实验与理论的多尺度研究

研究人员针对工业中低碳钢(MS)在酸性环境易腐蚀的问题，通过合成两种异恶唑磺酰胺衍生物(IS-Cl和IS-CH3)，结合电化学频率调制(EFM)、极化曲线(PDP)和电化学阻抗谱(EIS)等技术，证实其在1 M HCl中缓蚀效率最高达97%。该研究通过密度泛函理论(DFT)和分子动力学模拟(MDS)揭示了化学吸附机制，为绿色缓蚀剂开发提供新思路。

　　

在石油、汽车和采矿等工业领域，低碳钢(MS)因成本低廉和机械性能优异被广泛应用，但其在酸性环境中的腐蚀问题长期困扰行业发展。传统无机缓蚀剂虽有效却存在毒性隐患，而含氮杂环有机物因其独特的电子结构和吸附能力成为研究热点。其中，异恶唑类化合物因其药理活性和缓蚀潜力备受关注，但对其磺酰胺衍生物在金属防护中的作用机制仍缺乏系统研究。

摩洛哥 Chouaib Doukkali 大学有机化学实验室的 Rachid Hsissou 团队在《Next Materials》发表研究，通过实验与理论计算相结合的方法，评估了N-丁基-2-(N-((3-(对甲苯基)异恶唑-5-基)甲基)磺酰基)苯甲酰胺(IS-Cl)和N-丁基-2-(N-((3-(4-氯苯基)异恶唑-5-基)甲基)磺酰基)苯甲酰胺(IS-CH₃)在1 M HCl中对MS的缓蚀性能。研究采用三电极体系进行电化学测试，结合扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)表征表面形貌，并运用量子化学计算(DFT)、投影态密度(PDOS)和分子动力学模拟(MDS)阐明吸附机制。

研究结果显示，IS-Cl在10^-3 M浓度下的缓蚀效率达97%，优于IS-CH₃的94.9%。极化曲线表明两者均为混合型抑制剂，阴极抑制作用更显著。电化学阻抗谱显示电荷转移电阻(R_ct)随浓度增加而升高，双电层电容(C_dl)降低，证实分子在金属表面形成保护膜。温度实验测得表观活化能(E_a)为45.69 kJ/mol（IS-Cl）和45.08 kJ/mol（IS-CH₃），吸附自由能(ΔG_ads⁰)分别为-32.12和-28.29 kJ/mol，符合Langmuir吸附模型，表明为化学吸附过程。

理论计算揭示IS-Cl的LUMO能级(-1.806 eV)更易接受铁原子的电子，而IS-CH₃的能隙(ΔE_g=4.684 eV)较小，反应活性更高。分子动力学模拟显示两者与Fe(110)面的相互作用能分别为-1328.487和-1356.592 kJ/mol，径向分布函数(RDF)分析证实Fe-N键长<3.5 ?，形成稳定配位键。投影态密度(PDOS)谱表明异恶唑环的p轨道与铁3d轨道发生杂化，验证了化学吸附机制。

该研究不仅证实异恶唑磺酰胺衍生物可作为高效环保的缓蚀剂，其提出的"电子给体-受体"协同作用机制为设计新型缓蚀分子提供了理论依据。特别是4-氯苯基的强吸电子效应(+M)比甲基(+I)更利于电荷转移，这一发现对开发适用于严苛酸性环境的高性能缓蚀剂具有重要指导意义。